具有備用方式的開關型電源的製作方法

2023-07-25 14:42:46 2

專利名稱：具有備用方式的開關型電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有備用方式的開關型電源。在所謂備用方式(也叫做備用狀態)下，例如，處在該開關型電源次級側的若干專用級(例如紅外接收器和微處理器)必須是有源的，以便可以接收並評價由遙控發射器發出的紅外信號。在這樣一個電路的情況下，微處理器需要約750mW的功率。為了降低備用方式下的功率損失，已知在備用方式下除了有源紅外接收器之外可以關閉微處理器，以便只使具有濾波特性的無源搜索電路保持運行。該搜索電路只能識別從遙控發射器接收的信號，而不能識別和評價包含在信號中的指令。當識別這樣的脈衝時，搜索電路接通微處理器，而後微處理器可識別包含在紅外信號中的指令並可以選擇相應的設備功能。由於使用了這樣的電路，可以將備用方式下的功率降至約0.1W。
因為開關電晶體開通的周期太短並且開關型電源的效率太低。所以這樣的低功率不再能正確地傳送。因此，已知與開關型電源分開設置了一個第二變壓器，用於在備用方式下傳送小功率。
此外，在開關型電源情況下，必須將信息從次級側傳送至初級側。這包括例如用於轉變為各種操作方式，如備用方式、搜索方式和常規方式的控制指令，因為在初級側和次級側之間必須保持直流(DC)隔離，所以為此還需要具備DC隔離性能的另外的傳輸器件，例如光耦合器或變壓器。
本發明的目的是減少用於將功率在備用狀態下由初級側傳送至次級側並且將控制或調節變量從次級側傳送至初級側的電路複雜性。
這一任務是藉助於下述發明方案實現的。即提供一種具有備用方式的開關型電源，具有一個隔離變壓器和一個在正向掃描時間中開通而在回掃時間中關斷的開關電晶體，以及具有一個用於在備用方式期間傳遞功率的第二變壓器，第二變壓器用於在正向掃描時間期間將功率從開關型電源的初級側傳遞至次級側，而在回掃時間期間將控制或調節變量從開關型電源的次級側傳送至初級側。
因此，根據本發明，第二變壓器用於在正向掃描時間期間將功率由初級側傳輸至次級側，並且在回掃時間期間將控制或調節變量由次級側傳送至初級側。
本發明基於以下知識一個起正向轉換器作用的隔離變壓器在一個運行周期內有三個階段。在第一階段(即所謂正向掃描時間)，開關電晶體開通，將功率通過變壓器和整流電路傳遞至次級側的電荷貯存電容器。在第二階段(即所謂回掃時間)，處在初級側的開關電晶體和處在次級側的整流電路被關閉。然而，從正向掃描時間開始必須減少變壓器中的磁化電流。脈衝電壓的幅值取決於消磁電流的幅值，也就是說，改變次級側的消磁電流就能改變初級側的脈衝電壓。第三階段，即所謂靜寂時間，是變壓器消磁後直至開關電晶體再次開通為止的時間。本發明此時利用了以下的事實，即因為作為變壓器上脈衝響應的結果正向掃描時間和回掃時間總是單值地確定並可以彼此獨立地加以控制和評估，所以可以利用這些時間傳送不同的變量。這樣，所述的第二個小變壓器用於按照一種有利的方式在正向掃描時間期間在一個方向上按照備用方式傳遞功率，而在回歸時間期間用於在另一個方向上傳遞控制或調節變量。這樣，一方面為了從初級向次級傳遞功率而另一方面從次級向初級傳遞控制或調節變量就僅僅需要兩個組成部分。取決於應用，根據本發明的電路可使得備用功率僅為0.1W或更小。儘管如此，第二變壓器在滿足所有的耐壓要求的同時仍然可以具有例如5cm3的體積。
經由第二變壓器傳遞的控制變量最好用於在該變壓器的初級側將電源在各種工作方式(例如備用方式、搜索方式和正常方式)之間進行轉接。這是利用在回掃時間內具有不同幅值的脈衝電壓完成的。按照正常方式，為了控制開關電晶體的開通周期，以便穩定在次級側產生的工作電壓，最好經由第二變壓器傳遞調節變量。
次級側最好包含有一個用於利用控制或調節變量在第二變壓器上對回掃脈衝進行幅值調節的控制器或調節器。因此，初級側含有一個估計第二變壓器上的回掃脈衝幅度並由此產生所述控制或調節變量的電路。
第二變壓器的次級側最好含有一個輔助電源電路，該電源電路通過在正向掃描時間期間對在第二變壓器的次級繞組上的脈衝進行整流產生遙控接收器的工作電壓。次級側包括一個頻率選擇搜索電路，該電路按備用方式工作並且根據對來自遙控發射器的脈衝的識別接通設置在次級側的微處理器。而後判斷包含在這種脈衝中的指令，啟動適當的轉換、控制或調諧功能。
次級側最好包括一個受由第一開關型電源產生的工作電壓控制的控制電路，如果該工作電壓存在任何偏移，它通過所述調節器影響回掃脈衝的幅度，以穩定該工作電壓。
第二變壓器最好是第二開關型電源一個組成部分，這個電源要比第一開關型電源小。第二開關型電源包括一個在備用方式時自由振蕩，而在正常方式時與第一開關型電源同步的振蕩器。這種同步確保控制迴路按穩定方式工作。第二開關型電源致使第一開關型電源在備用方式下關閉。
以下將參照附圖對本發明加以說明。在這些附圖中

圖1示出根據本發明設計的開關型電源的方框圖；圖2示出在第二變壓器上在正向掃描時間和回掃時間期間的電壓和電流的波形；圖3示出第二變壓器的一個等效電路；以及圖4示出根據圖1的開關型電源的一個實際試驗的典型的實施例。
在以下說明中和在附圖中所使用的符號在下文中具有下列意義H 正向掃描時間ii 在第二變壓器的次級繞組中的電流N 從電力網中得到的並且由開關型電源傳送的功率P 從遙控發射器發射出的脈衝R1 正常方式下的回掃時間R2 搜索方式下的回掃時間R3 備用方式下的回掃時間Ri 在第二變壓器上的回掃脈衝T 第二變壓器的運行周期T-H-R 靜寂時間U1 在正常方式下回掃脈衝RI1的幅值U2 在搜索方式下回掃脈衝RI2的幅值U3 在備用方式下回掃脈衝RI3的幅值Ui 第二變壓器的次級繞組上的電壓Us 用於調節第二變壓器上回掃脈衝的幅值的控制變量UH 紅外接收器的工作電壓圖1示出電網電壓UN、電網開關1和帶有為第一開關型電源4提供電力的電荷貯存電容器3的第一電網整流器2，特別要強調的是第一開關型電源4包括第一變壓器Tr1、開關電晶體T1和振蕩器5。開關型電源4產生電視接收機底盤6的工作電壓Vx，V音頻(Vaudio)和V系統(Vsys)。還將電網電壓UN經由用作限流的電容器7、8加到在電荷貯存電容器10上產生第二開關型電源11的工作電壓的第二電網整流器9上，第二開關型電源11特別包括控制振蕩器12、開關電晶體T2和變壓器Tr2。在第二變壓器Tr2的次級側還設置了受遙控發射器13控制的紅外接收器14、輔助電源電路15、搜索電路16、回掃調節器17和調節電壓發生器18。
以下將說明所示出的各個級的任務和功能。
控制振蕩器12確定第二開關型電源11的開關頻率，這個頻率大約為90kHz。振蕩器12在備用方式下自由振蕩。在正常方式下第一開關型電源4經由導線19使控制振蕩器12同步，以便保證有一個穩定的控制迴路。
在運行周期T中的正向掃描時間H(圖2)期間，變壓器Tr2將大約5mW等級的功率傳送給次級側作為紅外接收器14的電源。在回掃時間R期間，變壓器Tr2將控制和調節變量從次級側傳送至初級側，如同以下將要更詳細說明的那樣。輔助電源電路15在正向掃描時間H通過在變壓器Tr2的次級繞組31上對脈衝電壓Ui整流產生工作電壓UH，將該工作電壓UH供給紅外接收器14。紅外接收器14接收來自遙控發射器13的控制指令，而後將脈衝P供給搜索電路16並且供給包括在電視接收機底盤6中的微處理器20。搜索電路16被設計成為一個被調諧至脈衝P的頻率並且不需要工作電壓的無源濾波器。該濾波器的作用抑制了來自遙控發射器13的噪聲信號。搜索電路16記錄脈衝P的出現，但不能識別出包含在其中的控制指令。一旦脈衝P被識別，微處理器20就被接通，而後判斷包含在脈衝P中的控制指令，啟動適當的控制功能。
發生器18評估由開關型電源4產生的工作電壓Vsys並在它的輸出端產生一個控制變量Us，該控制變量相關於工作電壓Vsys與它的標準值的偏差。這一控制變量Us在回掃時間期間控制變壓器Tr2上的脈衝Ui的幅值，使得開關電晶體T1的開通周期在初級側受控制，以便穩定Vsys。
回歸調節器17根據供給它的控制或調節變量影響變壓器Tr2的次級繞組31上的脈衝電壓Ui中的回掃脈衝RI的幅度，並因此也影響初級繞組30上的脈衝電壓Ui中的回掃脈衝RI的幅值。
在變壓器Tr2的初級側的工作方式檢測器21估算變壓器Tr2的初級繞組30上的回掃脈衝RI，也就是說RI1、RI2或RI3之一的幅值，並據此導致選擇一種預先由回掃調節器17確定的指定的工作方式，或調節開關電晶體T1的開通周期。
以下將順序地說明向電視接收機底盤6供電的開關型電源的各種工作方式。
關閉狀態斷開電網開關1，開關型電源就完全與電網隔離。這樣，就沒有功率從電網送出並不產生工作電壓。在這種狀態，不能利用遙控發射器13開啟電視接收機。
備用方式現在閉合電網開關1。大約有0.1W功率經由電容器7、8傳送給整流器9，該整流器產生第二開關型電源11(包括控制振蕩器12)的工作電壓。這時控制振蕩器12正在以大約90kHz的頻率自由振蕩。變壓器Tr2傳送約5mV功率。在正向掃描時間H期間，由變壓器Tr2的次級繞組31上的脈衝電壓在輔助電源電路15中產生遙控接收器14的工作電壓UH，以便使遙控接收器14這時準備好接收。遙控發射器13一直沒有工作，使得遙控接收器14從一開始就不提供任何脈衝P。因此，搜索電路16同樣沒有接收到任何脈衝P，並且也不能接下去將變壓器Tr2上的回歸脈衝RI3的幅值調至值U3。這個值是在初級側工作方式檢測器21中檢測的。工作方式檢測器21向第一開關型電源4提供一個使開關電晶體T1保持關斷並因此使第一開關型電源完全關閉的控制變量。從電網得到的全部功率損耗大約為0.1W，這對於有源級1 2、21、15、14基本上是準確的。
搜索方式當遙控發射器13工作時，遙控接收器14向搜索電路16和微處理器20提供脈衝P。這時，搜索電路16識別脈衝P的出現，但不能識別出包含在脈衝P中的指令。搜索電路16通過回掃調節器17將變壓器Tr2上的回掃脈衝RI2的幅值調節至電壓值U2。工作方式檢測器21檢測出回歸脈衝RI2的這個新電壓值U2並提供給開關型電源4一個啟動開關電晶體T1的開關操作的電壓，接著打開開關型電源4，傳送大約5W的功率。因此，微處理器20獲得工作電壓，可以判斷包含在脈衝P中的指令，例如「將電視接收機轉換為3頻道」或「將VCR轉換為播放」。而後，微處理器20使電視接收機完全接通或將錄相機轉換為由遙控發射器P3指定的工作方式，也就是說選擇由遙控發射器13藉助於脈衝P所限定的指令所指定的正常方式的功能。變壓器Tr2在正向掃描時間H期間同時在次級側產生工作電壓UH的工作方式保持不變。
正常方式作為由微處理器20所選擇的正常方式的結果，開關型電源4此時以滿負荷輸電方式工作。此時第一開關型電源4經由導線19使控制振蕩器12同步。在發生器18中由開關型電源4的輸出電壓Vsys得到控制變量US，該變量取決於Vsys的幅值。在調節器17中，Us將回掃脈衝RI1調節至值U1。於是Vsys的幅值的變化產生了電壓U1的變化並在工作方式檢測器21中被檢測出。工作方式檢測器21向第一開關型電源4提供了一個控制開關電晶體T1開通周期的控制變量，用於穩定開關型電源4的輸出電壓V。在這種情況下對開關電晶體T1的開通周期按照工作電壓Vsys的量值的函數進行控制，以便穩定開關型電源4的輸出電壓，具體內容如下當電壓Vsys下降時，由發生器18所提供的並且呈控制電流形式的控制變量Us變小。結果在變壓器Tr2的次級繞組31上的回掃脈衝RI1變小，這就是說，根據圖2的電壓U1下降。從而變壓器Tr2的初級繞組30上的回掃脈衝RI1變小。因此，工作方式檢測器21的輸出電壓也變小。作為這種現象的結果，這一電壓增加了開關電晶體T1的開通周期和開關電晶體T1的集電極電流的最終值。於是，經由開關電晶體Tr1傳送的功率增加，因此，補償了最初所設定的工作電壓Vsys的減少。
這樣，彼此不同的控制和調節信息項在回掃時間R經由變壓器Tr2由次級側傳遞至初級側。最初這種信息包括用於選擇備用方式的電壓U3，而後是用於選擇搜索方式的電壓U2，再其次是用於調節開關型電源4以便穩定所產生的輸出電壓的電壓U1。
圖3示出第二變壓器Tr2的等效電路。
圖4示出根據圖1的方框圖的一個實際試驗的電路。在這種情況下，圖1中各個級每一個都用虛線表示出，每一部分都帶有與圖1相同的標號。為了穩定第二開關型電源11的工作電壓使用了齊納二極體25。根據圖1的兩個開關型電源4、11之間的電路連接用以下方式表示，即標記有①的功率電平彼此相連接。
除去圖1外，還對以下單元加以說明。單元22對初級側進行調節，也就是說穩定開關型電源4的輸出電壓。這一單元並非絕對必要，因為已經通過開關型電源11以所述方式進行了這種調節。
單元23表示開關電晶體T1的詳細驅動器電路以及該開關電晶體本身。開關電晶體T1的開關動作是由來自變壓器Tr1的繞組W1的正反饋來維持的。頻率是由控制-箝位效應來控制，這種效應對應於開關電晶體T1開通階段磁化電流的增加。切斷通過繞組W1的初級電流的幅值和存貯能量的量值受到控制，使得穩定了所產生的輸出電壓V。頻率受在負載中或在所加工作電壓中由於鐵芯的磁特性偏差所導致的變化的影響。開關電晶體T1的基極電流流過電感器L3、電晶體T3、初級繞組W1和二級管D3。這一基極電流通過開通開關電晶體T4被切斷。電感器L3產生開關電晶體T1的負的基極電流和電壓。當電晶體T5飽和時電晶體T4開通。這個控制電路相當簡單，按照規定的方式運行起來很可靠。在這種情況下開關電晶體T1的基極電流顯示出用於以儘可能低的損耗開啟開關電晶體T1的理想的曲線形狀。在專利申請19602556中更為詳細地描述了開關電晶體T1的這種驅動電路。導線32和電阻33、34形成了啟動振蕩器5的電源。
單元24示出了開關電晶體T1的一個集電極電流測量電路，該電路用於限制通過開關電晶體T1的電流，所述電流在正向掃描時間H按鋸齒形上升。
迄今一直假定接通，也就是說從備用方式向正常方式轉換，是藉助於遙控發射器13完成的。這種接通同樣可以由微處理器或通過經由端子25、26的SCART電纜來完成。
權利要求
1.一種具有備用方式的開關型電源，具有一個隔離變壓器(Tr1)和一個在正向掃描時間(H)中開通而在回掃時間(R)中關斷的開關電晶體(T1)，以及具有一個用於在備用方式期間傳遞功率的第二變壓器(Tr2)，其特徵在於第二變壓器(Tr2)用於在正向掃描時間(H)期間將功率從開關型電源(4，11)的初級側傳遞至次級側，而在回掃時間(R)期間將控制或調節變量(U1-U3，US)從開關型電源(4，11)的次級側傳送至初級側。
2.根據權利要求1所述的電源，其特徵在於控制變量(U1-U3)用於在初級側將電源(4)在各種操作方式，例如備用方式、搜索方式和正常方式之間進行轉換。
3.根據權利要求1所述的電源，其特徵在於在正常方式下，傳送調節變量(Us)以便控制開關電晶體(T1)開通的周期，以便穩定在次級側產生的操作電壓(V)。
4.根據權利要求1所述的電源，其特徵在於所述次級側包含一個被用來利用所述控制或調節變量在第二變壓器(Tr2)對回掃脈衝(RI)進行幅值調節的調節器(17)。
5.根據權利要求4所述的電源，其特徵在於所述初級側包含一個在第二變壓器(Tr2)估計回掃脈衝(RI)的幅值並利用這一幅值發生所述控制或調節信號的電路(21)。
6.根據權利要求1所述的電源，其特徵在於所述次級側包括一個通過在正向掃描時間(H)期間對第二變壓器次級繞組(31)上的脈衝電壓(Ui)整流產生用於遙控接收器(14)的操作電壓(UH)的輔助電源電路(15)。
7.根據權利要求1所述的電源，其特徵在於所述次級側包含一個在備用狀態有源並且根據對來自遙控傳送器(13)的脈衝(P)的識別接通微處理器(20)的頻率選擇搜索電路(16)，所述微處理器被設置在次級側，判斷包含在脈衝(P)中的指令並啟動適當的控制或調諧功能。
8.根據權利要求4所述的電源，其特徵在於所述次級側包含一個由利用第一開關型電源(4)產生的工作電壓(Vsys)控制的控制電路(18)，如果這一工作電壓(Vsys)有任何偏移就通過調節器(17)影響回掃脈衝(RI)的幅值，以便穩定所述初級側上的工作電壓(Vsys)。
9.根據權利要求1所述的電源，其特徵在於第二變壓器(Tr2)是第二開關型電源(11)的一個組成部分，第二開關型電源(11)要比第一開關型電源(4)小。
10.根據權利要求9所述的電源，其特徵在於第二開關型電源(11)包含有一個在備用方式自由振蕩而在正常方式與第一開關型電源(4)同步的振蕩器(12)。
11.根據權利要求9所述的電源，其特徵在於第二開關型電源(11)在備用方式使第一開關型電源(4)關閉。
全文摘要
一種具有備用方式的開關型電源。就若干開關型電源而論，已知在備用方式下，供給有源的各級的功率是通過獨立於所述開關型電源的第二小開關型電源利用第二變壓器從初級傳送至次級。就一個開關型電源而論，相應工作方式的控制變量和調節變量必須由次級傳送至補級，為此還需要一個DC隔離器。本發明目的是降低在備用方式下傳遞功率、控制或調節變量的電路的複雜性。利用第二變壓器(Tr2)在正向掃描時間(H)期間傳送功率，在回掃時間(R)期間傳送控制或調節變量。
文檔編號H02J1/10GK1166080SQ97110579
公開日1997年11月26日 申請日期1997年4月18日 優先權日1996年4月23日
發明者馬庫斯·雷姆, 託馬斯·裡索, 傑勒德·裡利, 瓊斯-伊格內西奧·羅德裡格斯-杜蘭 申請人:德國湯姆遜-布朗特公司